Австралийская компания Q-CTRL продемонстрировала новый способ морской навигации, которому не требуются сигналы GPS и других глобальных спутниковых систем. Экспериментальная технология GravNav определяет положение судна по небольшим изменениям гравитационного поля Земли. Во время испытаний в Коралловом море система прошла проверку на маршруте длиной 83 км и удержала погрешность примерно в пределах одной морской мили — около 1,85 км.

В основе разработки находится квантовый гравиметр с атомами рубидия-87. Он фиксирует чрезвычайно малые изменения ускорения свободного падения, возникающие из-за подводных гор, океанических впадин, континентального шельфа и неоднородностей земной коры. Полученные измерения сопоставляются с заранее подготовленной гравитационной картой, благодаря чему система может уточнять координаты и компенсировать постепенно накапливающуюся ошибку инерциальной навигации. Главное преимущество такого подхода — независимость от внешнего радиосигнала, который можно заглушить или подменить.

Вместо спутников — гравитационная карта Земли

Современная навигация во многом зависит от глобальных спутниковых систем GNSS. Они обеспечивают высокую точность, однако обладают принципиальной уязвимостью: радиосигнал со спутников относительно слаб и может подвергаться глушению или спуфингу — намеренной передаче ложных навигационных данных.

Альтернативным ориентиром может стать непосредственно наша планета.

Гравитационное поле Земли не является абсолютно однородным. Подводные горные массивы, глубоководные впадины, особенности континентального шельфа и различия в плотности пород немного изменяют локальное ускорение свободного падения.

Эти отклонения стабильны и образуют своеобразный гравитационный «ландшафт». Если заранее иметь его карту, последовательность измерений на борту можно сопоставлять с известными участками и таким образом уточнять положение судна.

Как работает GravNav

О результатах эксперимента Q-CTRL рассказала в исследовательской работе, опубликованной на arXiv.

Технология получила название GravNav. По утверждению разработчиков, испытание стало первой демонстрацией навигации морского судна с использованием квантовой гравиметрии без спутниковых сигналов.

Принцип работы можно представить как своеобразную навигацию по невидимой карте.

Система постоянно измеряет силу земного притяжения вдоль маршрута. Последовательность таких измерений формирует характерный профиль. Программное обеспечение сравнивает его с существующей картой гравитационных аномалий и определяет наиболее вероятное положение судна.

Особенно перспективным этот подход выглядит именно на море, поскольку для океанов уже существуют достаточно подробные карты гравитационных аномалий.

Испытание провели на 29-метровом судне

Эксперимент проходил в Коралловом море. Оборудование разместили на борту судна длиной 29 метров.

Причём для квантового прибора не потребовалось создавать полноценную лабораторию — гравиметр установили непосредственно в обычной пассажирской каюте.

Во время движения датчик непрерывно измерял локальное ускорение свободного падения, а навигационная система сравнивала поступающие данные с картой.

На участке протяжённостью 83 км погрешность определения положения удалось удержать приблизительно в пределах одной морской мили, или 1,85 км.

По оценке Q-CTRL, полученный результат более чем в десять раз превосходит показатели резервных навигационных систем соответствующего класса, предназначенных для работы при отсутствии GNSS.

Координаты помогают определять атомы рубидия

Ключевой компонент GravNav — атомный квантовый гравиметр.

В качестве чувствительного элемента используются атомы рубидия-87. Их состоянием управляют при помощи лазерных импульсов.

Атомы находятся в свободном падении под воздействием земной гравитации. Возникающий при этом фазовый сдвиг позволяет с очень высокой точностью определять локальное ускорение свободного падения.

Измеренное значение само по себе ещё не сообщает системе широту и долготу. Для определения положения данные квантового сенсора необходимо сопоставить с известной картой гравитационных аномалий.

Параллельно работает инерциальная навигационная система. Она способна самостоятельно рассчитывать движение, однако со временем в таких вычислениях неизбежно накапливается ошибка. Гравиметр становится внешним ориентиром, позволяющим периодически корректировать этот дрейф без обращения к спутникам.

Качка оказалась серьёзной технической проблемой

Высокая чувствительность квантового гравиметра одновременно является его преимуществом и недостатком.

На движущемся корабле прибор испытывает постоянные вибрации, ускорения и качку. Полезный гравитационный сигнал приходится отделять от значительно более интенсивных движений самого судна.

Для решения этой проблемы разработчики объединили квантовый сенсор с традиционным акселерометром. Дополнительно использовался отдельный инерциальный измерительный блок.

У двух типов датчиков получились разные задачи. Классическая электроника хорошо регистрирует быстрые движения и вибрации, тогда как атомный сенсор предоставляет стабильную долговременную опорную величину.

Эффективность такого сочетания проверили в отдельном 56-часовом стационарном эксперименте. По данным разработчиков, использование атомного датчика позволило уменьшить долговременный дрейф примерно в 70 раз по сравнению с одним классическим каналом измерения.

Квантовый прибор смог работать без лабораторных условий

Ещё один важный результат эксперимента связан не столько с точностью, сколько с практичностью оборудования.

Квантовые измерительные системы традиционно ассоциируются с лабораториями, сложной стабилизацией и чрезвычайно чувствительным оборудованием. Q-CTRL удалось заставить свой комплекс работать непосредственно на движущемся судне.

Система обходилась без специальной температурной стабилизации, гиростабилизированной платформы и регулярной калибровки. Во время отдельных тестов оборудование продолжало работать при волнении моря до четырёх баллов.

Это важный шаг к практическому применению технологии: квантовый навигационный прибор должен не просто демонстрировать высокую точность в идеальных условиях, но и выдерживать реальную эксплуатацию.

Q-CTRL развивает сразу два способа навигации без GPS

GravNav — не первая попытка Q-CTRL использовать естественные физические особенности Земли вместо спутников.

Ранее компания разработала технологию MagNav. Её принцип похож, но вместо гравитационного поля используются пространственные особенности магнитного поля планеты.

MagNav уже испытывалась на самолётах и наземном транспорте. По данным Q-CTRL, в испытаниях 2025 года технология в некоторых условиях могла превосходить высококлассные традиционные альтернативы GPS по точности вплоть до 100 раз.

Теперь к магнитной навигации добавилась гравитационная, которая потенциально особенно хорошо подходит для морских маршрутов.

GPS пока никто не отменяет

Несмотря на успешные испытания, новая разработка пока не является полноценной заменой спутниковой навигации для массового применения. Погрешность порядка 1,85 км слишком велика для множества задач, в которых GPS обеспечивает точность в пределах нескольких метров.

Ценность GravNav заключается в другом: система способна самостоятельно получать внешнюю привязку к местности там, где спутниковая навигация недоступна или намеренно подавляется.

В сочетании с инерциальными датчиками, магнитной навигацией и другими независимыми источниками данных такая технология может стать частью многоуровневой системы позиционирования, которая продолжит работать даже при полном исчезновении GNSS.

Неудивительно, что разработкой интересуются прежде всего оборонные структуры. Q-CTRL сотрудничает с DARPA, Defense Innovation Unit Министерства обороны США, Министерством обороны Австралии, Королевским военно-морским флотом Великобритании и другими партнёрами стран AUKUS.

В перспективе подобные системы могут оказаться полезными не только военным кораблям. Независимая от спутников навигация потенциально востребована в авиации, морском транспорте, автономной технике и других областях, где потеря или подмена GPS-сигнала способна стать критической проблемой.